超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)流場周期性設(shè)計(jì)

唐國慶，黃康才，薛偉鵬

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

隨著飛機(jī)發(fā)動機(jī)推重比和單位推力的逐漸提高，迫使其采用大膨脹比、高效率、大焓降的高溫超跨聲速渦輪與之匹配，由此帶來的二次流損失、激波損失以及與渦輪冷卻有關(guān)的損失顯著增加，使得渦輪設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果，需要對葉柵流動進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

平面葉柵試驗(yàn)可以方便、經(jīng)濟(jì)、快速地研究超跨聲速葉柵中的激波的強(qiáng)度、形狀和位置，激波與附面層的相互作用，葉片尾跡內(nèi)的壓力、方向分布等基本流動現(xiàn)象[1-2]，但受二維流動的限制，無法驗(yàn)證葉輪機(jī)內(nèi)復(fù)雜的三維特性。環(huán)形葉柵試驗(yàn)可以得到三維流動結(jié)構(gòu)、局部和總的損失、流通能力及二次流等方面的大量數(shù)據(jù)，但其具有能源消耗大、加工費(fèi)時(shí)、測試?yán)щy等不利因素。如果在由7～10片葉片構(gòu)成的扇形葉柵上進(jìn)行葉柵氣動性能研究，只要能保證葉柵后的徑向壓力梯度和通道內(nèi)的周期性，則不存在上述問題，可方便快捷地進(jìn)行詳盡的流動試驗(yàn)研究。亞聲速工況下，通常在葉柵出口特設(shè)調(diào)節(jié)凸塊模擬出口徑向真實(shí)流場[3]，并在出口沿射流兩側(cè)邊界安裝導(dǎo)流板保證周期性，可滿足試驗(yàn)需求。但在超跨聲速工況時(shí)，出口導(dǎo)流板將導(dǎo)致流場中來自葉片尾緣的激波反射而對流場產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，使葉柵通道內(nèi)周期性變差，為此國內(nèi)外許多研究者通過改變出口導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)來解決這一問題[4-7]。不過由于試驗(yàn)臺的限制和冷卻渦輪葉片的加工難度大、加工周期長等因素，渦輪扇形葉柵試驗(yàn)，特別是冷效試驗(yàn)中，使用的葉片數(shù)常常達(dá)不到7～10片，多為3～6片。在這一條件下，葉柵周期性更難以保證。

本文針對超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)件葉柵通道周期性差、測試葉片工作狀態(tài)不到位的問題，為明確問題主因，對該高壓渦輪扇形葉柵試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)流場周期性設(shè)計(jì)，對出口導(dǎo)流板提出了簡易且有效的優(yōu)化改進(jìn)措施，進(jìn)一步提高了超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2 問題分析

2.1 試驗(yàn)件

扇形葉柵試驗(yàn)件主要由進(jìn)氣測量段、葉柵試驗(yàn)段和排氣測量段組成。其中，進(jìn)氣測量段由平直導(dǎo)流段、扇形轉(zhuǎn)接段和扇形整流段構(gòu)成，在試驗(yàn)段前方形成扇形流場；葉柵試驗(yàn)段由5片完整真實(shí)渦輪葉片組成，其中邊緣2片作為陪襯葉片構(gòu)成流道壁面，中間3片作為試驗(yàn)葉片，最中間的葉片作為試驗(yàn)測量葉片；在葉片尾緣沿葉片出氣角方向布置一段扇形導(dǎo)流板，并在導(dǎo)流板上下表面布置測點(diǎn)，形成排氣測量段。

試驗(yàn)在中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院超跨聲速風(fēng)洞中進(jìn)行，測量了進(jìn)口總壓、進(jìn)口總溫、進(jìn)口流量、出口靜壓以及葉身溫度。試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流板出口反壓來調(diào)整柵后靜壓，確定試驗(yàn)狀態(tài)。

2.2 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性分析

對此超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，嚴(yán)格依據(jù)試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)圖建立模型。使用ICEM CFD 14.5劃分網(wǎng)格，并對葉片附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)2 829 789，網(wǎng)格單元數(shù)6 688 007。圖1為三維計(jì)算模型和網(wǎng)格。表1給出了試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比，其中進(jìn)口總壓、進(jìn)口總溫和落壓比為試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)出口邊界條件，并以此邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；柵后靜壓與進(jìn)口流量分別給出了試驗(yàn)測量值與計(jì)算結(jié)果。圖2為柵后靜壓測點(diǎn)測量值與計(jì)算結(jié)果對比。從表1和圖2可知，在計(jì)算進(jìn)出口邊界條件與試驗(yàn)一致的情況下，柵后靜壓計(jì)算值與試驗(yàn)測量值基本一致；進(jìn)口流量計(jì)算值與試驗(yàn)測量值有所差異，這主要是由于數(shù)值計(jì)算不帶冷氣導(dǎo)致，但這一差異并不影響對試驗(yàn)?zāi)；姆治觥?/p>

圖1 三維計(jì)算模型與網(wǎng)格Fig.1 Three dimensional computational model and grid

表1 邊界條件與結(jié)果對比Table 1 Boundary conditions and results comparison

2.3 問題分析

采用相同邊界條件，對葉片在發(fā)動機(jī)中的理想工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算(圖3(a))，此時(shí)葉柵通道具有周期性，稱之為理想周期性邊界條件。與試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果中截面的馬赫數(shù)云圖(圖3(b))對比可見，理想周期性邊界條件下，各葉片通道中的馬赫數(shù)分布一致，每個(gè)葉片尾緣都形成明顯的燕尾形激波，下方葉片的內(nèi)尾波投射到相鄰葉片葉背后形成限流截面。而試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的扇形通道中，不同葉片通道的馬赫數(shù)分布極不均勻，不存在周期性，且在葉柵的出口段最上方的陪襯葉片葉背與下方導(dǎo)流板間形成限流截面、產(chǎn)生堵塞，由此導(dǎo)致上游葉片流場幾乎為亞聲速流動。圖4為試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果中3片葉片中截面表面等熵馬赫數(shù)分布與理想工作狀態(tài)計(jì)算得到的理論值(Theoretical)的對比。從圖中可見，3片葉片的表面等熵馬赫數(shù)差異很大，缺乏一致性，且葉片表面負(fù)荷都明顯低于理論值。在葉片前緣附近3片葉片的表面等熵馬赫數(shù)與理論值也有區(qū)別，因?yàn)樵囼?yàn)件進(jìn)口左右導(dǎo)流板存在邊界層，使進(jìn)口實(shí)際流動面積與喉部面積的比值發(fā)生變化，導(dǎo)致葉片進(jìn)口馬赫數(shù)與理想周期性邊界條件下的有所區(qū)別，但這一問題對試驗(yàn)準(zhǔn)確性影響較小，在本文中不做進(jìn)一步研究。

從上文分析結(jié)果可知，該超跨聲扇形葉柵試驗(yàn)存在葉柵通道周期性差和葉片工作狀態(tài)不到位兩個(gè)問題。其最主要原因是葉片與試驗(yàn)件出口導(dǎo)流板形成了新的限流截面，從而導(dǎo)致葉柵通道中的壓力無法進(jìn)一步降低，葉片無法工作在發(fā)動機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)，葉柵通道內(nèi)流場也不具有周期性。

3 改進(jìn)措施

針對上述問題，對超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)流場周期性進(jìn)行改進(jìn)。為改變通道排氣段形成的限流截面，可調(diào)節(jié)出口導(dǎo)流板角度或直接在限流截面位置附近截?cái)喑隹趯?dǎo)流板。

分別設(shè)定出口兩側(cè)導(dǎo)流板的不同角度進(jìn)行多方案研究(最大極限角度達(dá)到與X軸垂直)，共進(jìn)行了十幾個(gè)角度模型的建立和每個(gè)模型多個(gè)工況的計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，在某一確定進(jìn)出口條件下對應(yīng)一個(gè)出口導(dǎo)流板角度，此時(shí)能獲得很好的試驗(yàn)效果。但由于試驗(yàn)常常需要進(jìn)行很多個(gè)工況，即進(jìn)出口邊界條件會變化，此時(shí)出口導(dǎo)流板角度就需要不斷變化，使得改變出口導(dǎo)流板角度這一改進(jìn)措施在變工況試驗(yàn)時(shí)存在很大問題，故本文不采取調(diào)節(jié)出口導(dǎo)流板角度來改變通道排氣段形成的限流截面。

圖3 理想工作狀態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值模擬中截面馬赫數(shù)云圖對比Fig.3 Calculation results of ideal working conditions vs.contours of Mach number in test simulation

圖4 不同葉片表面等熵馬赫數(shù)計(jì)算值與理論值對比Fig.4 Calculation value vs.theoretical value for isentropic Mach number distribution on different blades

對不同位置截?cái)喑隹趯?dǎo)流板進(jìn)行多方案研究，截?cái)辔恢靡匀~片外尾波在下方導(dǎo)流板上的投射點(diǎn)為特征參考位置，以此確定出口導(dǎo)流板最佳長度。研究得到的最終方案達(dá)到了改進(jìn)目的，使限流位置回到了葉片喉部，葉柵通道內(nèi)流場具有較好周期性，葉片工作狀態(tài)與理想狀態(tài)差別較小，且能適應(yīng)變工況試驗(yàn)。最終方案截?cái)辔恢迷?號葉片(blade 03)外尾波與下方導(dǎo)流板相交位置和下方作為壁面的陪襯葉片尾緣之間。針對本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，出口?dǎo)流板保留長度為13.8 mm。由于出口導(dǎo)流板截?cái)嗪笈艢舛纬隹诰嚯x葉片太近，直接計(jì)算會影響葉片附近流場，因此在排氣段后加上大腔進(jìn)行模擬，如圖5所示。針對該截?cái)鄬?dǎo)流板模型，開展了如表2所示的3個(gè)工況計(jì)算。

圖5 ?；倪M(jìn)方案Fig.5 Improved scheme

表2 不同工況邊界條件Table 2 Boundary conditions of different working conditions

圖6、圖7分別給出了3個(gè)工況計(jì)算結(jié)果的馬赫數(shù)云圖和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布?？梢?，各工況下模型堵塞位置均出現(xiàn)在葉片喉部，不在排氣段內(nèi)，試驗(yàn)件堵塞情況得到改善。試驗(yàn)段內(nèi)1號和2號葉片附近的馬赫數(shù)分布一致，葉片表面等熵馬赫數(shù)分布也基本一致，具有較好的周期性。不同工況下，試驗(yàn)段和出口排氣段內(nèi)馬赫數(shù)分布產(chǎn)生了明顯變化，相同葉片表面等熵馬赫數(shù)分布也隨工況發(fā)生改變，此改進(jìn)方案能適應(yīng)變工況試驗(yàn)。

工況2與前文理想周期性邊界條件的計(jì)算條件基本相同，1號和2號葉片的等熵馬赫數(shù)分布基本相同。與理論值相比，除前緣附近外，僅在吸力面激波附近略有差別。在工況1和工況3分別減小和增大壓比后，這一微小區(qū)別消失。說明試驗(yàn)件改進(jìn)后，葉片在試驗(yàn)狀態(tài)與在發(fā)動機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)的流動相似，與流動相關(guān)的參數(shù)均基本一致，達(dá)到了改進(jìn)目的。

圖7 各工況葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.7 Isentropic Mach number distribution of different working conditions on different blades

進(jìn)一步研究表明，出口導(dǎo)流板最佳長度與導(dǎo)流板和葉片外尾波的相互作用密切相關(guān)。通過后續(xù)研究，得到了確定出口導(dǎo)流板長度的方法，即根據(jù)葉片外尾波與出口導(dǎo)流板相交位置(點(diǎn)A)和作為壁面的陪襯葉片尾緣(點(diǎn)B)之間(圖8)的長度，取AB長度的一半即可。對不同葉片，保留長度不相同，但只需初步計(jì)算，得到激波位置即可確定扇形葉柵試驗(yàn)出口導(dǎo)流板的長度。

圖8 模化示意圖Fig.8 Schematic diagram

4 結(jié)論

通過對某試驗(yàn)件試驗(yàn)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，該試驗(yàn)件在超跨聲工作狀態(tài)時(shí)由于出口排氣段的堵塞作用，使得葉柵通道周期性差，葉片工作狀態(tài)不到位。對此，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并對其進(jìn)行了周期性設(shè)計(jì)分析和研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)超跨聲渦輪扇形葉柵試驗(yàn)件排氣段出口導(dǎo)流板對流場影響很大，其設(shè)計(jì)尤為重要；

(2)在合適位置截?cái)喑隹趯?dǎo)流板，能使葉柵通道內(nèi)流場具有較好的周期性，且葉片工作狀態(tài)與發(fā)動機(jī)中真實(shí)工作狀態(tài)基本一致；

(3)出口導(dǎo)流板長度，為最外側(cè)葉片外尾波與導(dǎo)流板相交位置和作為壁面的陪襯葉片尾緣距離的一半。